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ブロックチェーンを持続可能にする数理的・実験的研究

研究課題

研究課題/領域番号 21H04872
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分60:情報科学、情報工学およびその関連分野
研究機関京都大学

研究代表者

首藤 一幸  京都大学, 学術情報メディアセンター, 教授 (90308271)

研究分担者 斉藤 賢爾  早稲田大学, 商学学術院(経営管理研究科), 教授 (10383928)
坂野 遼平  工学院大学, 情報学部(情報工学部), 准教授 (30832521)
研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2025-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
41,470千円 (直接経費: 31,900千円、間接経費: 9,570千円)
2023年度: 11,830千円 (直接経費: 9,100千円、間接経費: 2,730千円)
2022年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円)
2021年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円)
キーワードブロックチェーン / 安全性 / 分権性 / トリレンマ / インセンティブ整合性
研究開始時の研究の概要

ブロックチェーンの安全性、分権性、インセンティブ整合性を向上させる。ブロックチェーン、DAGの構成法を網羅的に調査・整理し、攻撃手法の調査・考案・評価を数理的・実験的に行う。これにより、持続可能性を備えたブロックチェーンの構成法を確立する。

研究実績の概要

2017年、Buterinが経験則として提唱し、それ以来広く信じられてきたブロックチェーントリレンマを表す数式を発見した。以下は、その経緯である。安全性の研究を進める中で、セキュリティ指標であるフォーク発生率Fを厳密に算出する式を見出した(Sakurai,ICCE 2023)。Fを表す数式をよく観察すると、その中に安全性と性能が現れていることに気がついた。安全性と性能は、トリレンマが扱う3要素のうちの2要素である。ということは、この式を適切に変形することでトリレンマを表す数式を得られるかもしれない、と発想した。結果、Proof of Workにて、フォーク率の逆数をセキュリティとする数式を得ることができた。

安全性:ブロック伝搬の高速化手法をいくつか発表した(Sakurai,ISCC 2023)(Hasegawa,ISCC 2023)。fork choice ruleがあってもなおどのチェーンを正規とみなすか?という問題を解決する手法を提案した(櫻井,SCIS 2024)。性能向上のために行うブロックサイズ増加とブロック生成時間短縮のどちらがセキュリティへの影響が大きいかを調べた(Nakai,ICCE 2024)。Bitcoinにおいて、半減期が二重支払い攻撃の合理性をどう左右するか?を調べた(中井,信学会 研究報告)。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (49件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (43件) (うち国際学会 18件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] A Study of Using Plumtree Algorithm in Blockchain Networks2023

    • 著者名/発表者名
      Kitagawa Yusuke、Shudo Kazuyuki、Mizuno Osamu、Banno Ryohei
    • 雑誌名

      Journal of Information Processing

      巻: 31 号: 0 ページ: 387-391

    • DOI

      10.2197/ipsjjip.31.387

    • ISSN
      1882-6652
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Trail: An Architecture for Compact UTXO-Based Blockchain and Smart Contract2022

    • 著者名/発表者名
      Ryunosuke Nagayama, Ryohei Banno, Kazuyuki Shudo
    • 雑誌名

      IEICE Transactions on Information and Systems

      巻: E105.D 号: 2 ページ: 333-343

    • DOI

      10.1587/transinf.2021EDP7139

    • NAID

      130008149966

    • ISSN
      0916-8532, 1745-1361
    • 年月日
      2022-02-01
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] トラストレスのメカニズム2022

    • 著者名/発表者名
      首藤一幸
    • 雑誌名

      情報処理

      巻: Vol.64, No.1

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Exploiting semi-structured overlay networks in blockchain systems2021

    • 著者名/発表者名
      Ryohei Banno, Yusuke Kitagawa, Kazuyuki Shudo
    • 雑誌名

      IEICE Communications Express

      巻: 10 号: 8 ページ: 447-450

    • DOI

      10.1587/comex.2021ETL0011

    • NAID

      130008070798

    • ISSN
      2187-0136
    • 年月日
      2021-08-01
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Impact of Saving Attacks on Blockchain Consensus2021

    • 著者名/発表者名
      Kai Otsuki, Ryuya Nakamura, Kazuyuki Shudo
    • 雑誌名

      IEEE Access

      巻: Vol.9 ページ: 133011-133022

    • DOI

      10.1109/access.2021.3115131

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lightweight selective disclosure for verifiable documents on blockchain2021

    • 著者名/発表者名
      Kenji Saito, Satoki Watanabe
    • 雑誌名

      ICT Express

      巻: Volume 7, Issue 3 号: 3 ページ: 290-294

    • DOI

      10.1016/j.icte.2021.08.012

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Impacts on Fork Rate of Changes of Block Size and Block Generation Time for Blockchain Scalability2024

    • 著者名/発表者名
      Taishi Nakai, Kazuyuki Shudo
    • 学会等名
      Proc. IEEE 42nd International Conference on Consumer Electronics (IEEE ICCE 2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ブロックチェーンにおけるPartial Proof of Workに基づくチェーン競合解消ルール2024

    • 著者名/発表者名
      櫻井晶, 首藤一幸
    • 学会等名
      2024年 暗号と情報セキュリティシンポジウム (SCIS 2024) 論文集
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ブロックチェーントリレンマの数理的定式化2024

    • 著者名/発表者名
      中井大志, 廣中詩織, 首藤一幸
    • 学会等名
      2024年 暗号と情報セキュリティシンポジウム (SCIS 2024) 論文集
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Quantitative Analysis of the Reward Rate Disparity Among Delegators in a DPoS Blockchain2024

    • 著者名/発表者名
      Hidemasa Tanaka, Shiori Hironaka, Kazuyuki Shudo
    • 学会等名
      Proc. 2024 IEEE Int'l Conf. on Big Data and Smart Computing (IEEE BigComp 2024), pp.136-142
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ブロックチェーントリレンマの数理的記述2024

    • 著者名/発表者名
      中井大志, 櫻井晶, 廣中詩織, 首藤一幸
    • 学会等名
      ポスター発表, 京都大学 第18回 ICTイノベーション
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Rerouting Tip Algorithm to Bypass Conflicting Transactions in Tangle2024

    • 著者名/発表者名
      Changle Wan, Kazuyuki Shudo
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.422, IA2023-81, pp.43-47
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Compact Block Relayにおける高帯域ノード選択方式2024

    • 著者名/発表者名
      増田真之介, 長谷川毅, 中井大志, 櫻井晶, 首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.422, IA2023-82, pp.48-53
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ブロックチェーンにおけるマイニング公平性の定量的な解析2024

    • 著者名/発表者名
      櫻井晶, 首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.422, IA2023-83, pp.54-58
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] DPoSブロックチェーンにおける報酬率に関わる要素の分析2024

    • 著者名/発表者名
      田中秀昌, 廣中詩織, 首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.422, IA2023-84, pp.59-65
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 半減期がある状況での二重支払い攻撃の経済合理性2024

    • 著者名/発表者名
      中井大志, 櫻井晶, 首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.422, IA2023-87, pp.79-85
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Blockchain Network Studies Enabled by SimBlock2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuyuki Shudo, Tsuyoshi Hasegawa, Akira Sakurai, Ryohei Banno
    • 学会等名
      Demonstration, Proc. 2023 IEEE Int'l Conf. on Blockchain and Cryptocurrency (IEEE ICBC 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Accelerating Block Propagation with Sender Switchover in a Blockchain2023

    • 著者名/発表者名
      Akira Sakurai, Kazuyuki Shudo
    • 学会等名
      Proc. 28th IEEE Symposium on Computers and Communications (IEEE ISCC 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quick Notification of Block Generation Using Bloom Filter in a Blockchain2023

    • 著者名/発表者名
      Tsuyoshi Hasegawa, Akira Sakurai, Kazuyuki Shudo
    • 学会等名
      Proc. 28th IEEE Symposium on Computers and Communications (IEEE ISCC 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ブロックチェーン「ネットワーク」の研究2023

    • 著者名/発表者名
      首藤一幸
    • 学会等名
      Web3.0時代における非中央集権型ネットワーク技術とその応用 (企画セッション), 電子情報通信学会 2023年 ソサイエティ大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] DNSSECから学ぶ暗号資産交換業での署名鍵管理手法の提案2023

    • 著者名/発表者名
      竹井悠人, 首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.193, IA2023-30, pp.115-122
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ブロックチェーントリレンマの数理的記述2023

    • 著者名/発表者名
      中井大志, 櫻井晶, 廣中詩織, 首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.193, IA2023-31, pp.123-130
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ブロックチェーンにおけるトランザクションの手数料を利用したチェーン競合解消ルール2023

    • 著者名/発表者名
      櫻井晶, 首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.193, IA2023-32, pp.131-138
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Towards Mathematical Formulation of the Blockchain Trilemma2023

    • 著者名/発表者名
      Taishi Nakai
    • 学会等名
      Blockchain Kaigi 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] DPoSブロックチェーンにおけるデリゲータごとの報酬格差の定量的分析2023

    • 著者名/発表者名
      田中秀昌, 廣中詩織, 首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.123, No.272, NS2023-122, pp.68-73
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] The Blockchain Trilemma Described by a Formula2023

    • 著者名/発表者名
      Taishi Nakai, Akira Sakurai, Shiori Hironaka, Kazuyuki Shudo
    • 学会等名
      Proc. 6th IEEE Int'l Conf. on Blockchain (IEEE Blockchain 2023), pp.41-46
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Impact of the Hash Rate on the Theoretical Fork Rate of Blockchain2023

    • 著者名/発表者名
      Akira Sakurai, Kazuyuki Shudo
    • 学会等名
      Proc. IEEE 41st International Conference on Consumer Electronics (IEEE ICCE 2023)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ブロックチェーンネットワークにおける複数Plumtree適用のシミュレーション評価2023

    • 著者名/発表者名
      北川雄介, 首藤一幸, 水野修, 坂野遼平
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.406, NS2022-204, pp.213-218
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ブロックチェーンにおけるブルームフィルタを用いたブロック生成通知の最適化2023

    • 著者名/発表者名
      長谷川毅, 櫻井晶, 首藤一幸
    • 学会等名
      第15回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM 2023)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Proof of Stakeブロックチェーンにおける分散時刻同期プロトコル2022

    • 著者名/発表者名
      三木友弥, 首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.85, IA2022-2 (No.86, ICSS2022-2), pp.8-14
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ブロックチェーン「ネットワーク」の研究2022

    • 著者名/発表者名
      首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.129, CQ2022-24, p.42
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Block Pruning With UTXO Aggregation2022

    • 著者名/発表者名
      Taegyu Song, Kazuyuki Shudo
    • 学会等名
      Proc. 5th IEEE Int'l Conf. on Blockchain (IEEE Blockchain 2022, BlockchainEvo 2022), pp.312-319
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Block Interval Adjustment Based on Block Propagation Time in a Blockchain2022

    • 著者名/発表者名
      Masumi Arakawa, Kazuyuki Shudo
    • 学会等名
      Proc. 5th IEEE Int'l Conf. on Blockchain (IEEE Blockchain 2022), pp.202-207
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A Distributed Clock Synchronization Protocol for Proof of Stake Blockchains2022

    • 著者名/発表者名
      Yuya Miki, Kazuyuki Shudo
    • 学会等名
      Proc. 5th IEEE Int'l Conf. on Blockchain (IEEE Blockchain 2022), pp.132-138
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ブロックチェーンにおける性能とセキュリティの関係2022

    • 著者名/発表者名
      首藤一幸
    • 学会等名
      応用物理学会 超集積エレクトロニクス産学連携委員会 夏の学校
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ブロックチェーンの理論フォーク率にハッシュレートが与える影響2022

    • 著者名/発表者名
      櫻井晶, 首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.185, IA2022-20, pp.32-35
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Proof of authenticity of general IoT information with sensors and blockchain2022

    • 著者名/発表者名
      Kenji Saito, Hiroshi Watanabe, Shogo Watanabe, Katsuo Taniguchi
    • 学会等名
      Flash Memory Summit 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Reverse Gutenberg Galaxy: Digital Transformation of Economy and Labor2022

    • 著者名/発表者名
      Kenji Saito
    • 学会等名
      Proc. of the Future Technologies Conference (FTC) 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ブロックチェーンネットワークにおけるPlumtree適用のシミュレーション評価2022

    • 著者名/発表者名
      北川雄介, 首藤一幸, 水野修, 坂野遼平
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.185, NS2022-19, pp.26-31
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] UTXO AggregationによるBlock Pruning2022

    • 著者名/発表者名
      Song Taegyu, 首藤一幸
    • 学会等名
      第14回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM 2022)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ブロックチェーンにおけるブロック送信元切り替えによるブロック伝搬の高速化2022

    • 著者名/発表者名
      櫻井晶, 首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.409, IA2021-67 (No.408, SITE2021-54), pp.52-57
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ブロックチェーンにおけるブロック伝搬時間に基づくブロック生成間隔調整2022

    • 著者名/発表者名
      荒川真澄, 首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.122, No.409, IA2021-68 (No.408, SITE2021-55), pp.58-62
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] A Path to Meta-Nature : Automated Environment Where Even Pencils Grow on A Tree2022

    • 著者名/発表者名
      Kenji Saito
    • 学会等名
      CCRC International Conference 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ブロックチェーンネットワークにおけるPlumtreeアルゴリズムの適用検証2021

    • 著者名/発表者名
      北川雄介, 首藤一幸, 水野修, 坂野遼平
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.121, No.68, IA2021-7 (No.69, ICSS2021-7), pp.39-42
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ブロックチェーン「ネットワーク」の研究2021

    • 著者名/発表者名
      首藤一幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会 技術研究報告, Vol.121, No.74, NS2021-27 (No.75, OCS2021-3) (No.76, PN2021-9), p.14
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] An Examination Protocol for Handling Programmable Answers Using a Public Blockchain2021

    • 著者名/発表者名
      Shu Takayama, Yuto Takei, Kazuyuki Shudo
    • 学会等名
      Proc. 4th IEEE Int'l Conf. on Blockchain (IEEE Blockchain 2021, IEEE Workshop on Blockchain Security, Application, and Performance (BSAP 2021)), pp.361-368
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Verification of Applying Plumtree Algorithm for Blockchain Networks2021

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Kitagawa, Kazuyuki Shudo, Osamu Mizuno, Ryohei Banno
    • 学会等名
      Proc. 2021 Int'l Conf. on Emerging Technologies for Communications (ICETC 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A Study of Applying Plumtree Algorithm for Blockchain Networks2021

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Kitagawa, Kazuyuki Shudo, Osamu Mizuno, Ryohei Banno
    • 学会等名
      International Symposium on Advanced Technology (ISAT), p.253
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Proof of Authenticity of Logistics Information with Passive RFID Tags and Blockchain2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Watanabe, Kenji Saito, Satoshi Miyazaki, Toshiharu Okada, Hiroyuki Fukuyama, Tsuneo Kato, Katsuo Taniguchi
    • 学会等名
      2021 International Conference on Electronic Communications, Internet of Things and Big Data (ICEIB)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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